Układ do gromadzenia i pomiaru wolnozmiennego ładunku elektrycznego

Układ do gromadzenia i pomiaru wolnozmiennego ładunku elektrycznego, zwłaszcza ładunku indukowanego poprzez pole o bardzo niskiej częstotliwości. Wykorzystuje on unikalny sposób pomiaru ładunku elektrycznego z detektorem pojemnościowym przyłączonym do integratora ładunku będącego wzmacniaczem operacyjnym z pojemnościowym sprzężeniem zwrotnym.

Stopień wejściowy integratora zawiera parę komplementarną typu JFET, których bramki przyłączone są do wejścia integratora tak, że tranzystor typu n z pary komplementarnych tranzystorów ma dren podłączony układem regulującym napięcie, który to układ reguluje się tak by prąd bramki tranzystora typu p był równy prądowi bramki tranzystora typu n.

Pomiar ładunku elektrycznego w takim układzie tego typu polega na przeniesieniu ładunku zebranego w układzie detektora na wzorcową pojemność układu sprzężenia zwrotnego i odczytaniu napięcia na tej pojemności.

Dołączone do wejścia złącza tranzystorów typu JFET stanowią dwie antyrównolegle połączone diody realizujący klasyczny układ zabezpieczający przed pojawieniem się zbyt wysokiego impulsu napięciowego. Jednocześnie układ równoważenia prądów bramki pozwala na uzyskanie dużej oporności wejścia układu i praktyczny brak prądu ładowania pojemności C_f ze strony prądów bramek tranzystorów JFET.

Unikalne cechy tego rozwiązania to:

• układ może być stosowany do pomiaru bardzo wolno indukowanego ładunku, dzięki kompensacji spoczynkowych prądów wejściowych integratora (wówczas oporność wejściowa układu dąży do nieskończoności),
• układ znajduje szerokie zastosowanie w badaniach naukowych, medycznych i przemysłowych, dzięki temu, że wejście układu jest zabezpieczone przed przebiciami i pojawieniem się stosunkowo dużych sygnałów ładunkowych,
• zastosowanie układu w standardowych sytuacjach, jak również w sytuacjach, w których ładunek gromadzony jest stosunkowo powoli - przykładowo w procesie jego indukowania trwającym nawet przez kilka lub kilkadziesiąt sekund.

Opisane układy mogą być użyte jako tzw. analog front end detektorów promieniowania X, gamma, alfa oraz beta między innymi w sprzęcie medycznym (aparaty rentgenowskie, mammografy, CT, SPECT, PET), militarnym (wykrywanie i identyfikacja izotopów), przemysłowym (pomiary grubości produkowanych folii czy taśm) oraz w ochronie radiologicznej.

Jedną z ich głównych zalet jest duża czułość, co zwiększa potencjał komercyjny urządzenia. Innym potencjalnym kierunkiem komercjalizacji wynalazku jest jego zastosowanie w superniskoszumnych detektorach promieniowania X, stosowanych np. przy badaniu składu powierzchni różnych materiałów. Innymi bardzo czułymi urządzeniami, w których można zastosować opisane układy, są bramki radiometryczne, montowane na lotniskach, wysypiskach śmieci oraz innych instytucjach narażonych na kontakt z promieniowaniem.

Rozwiązania zostały zgłoszone do ochrony patentowej w trybie międzynarodowym. Pierwsze z nich uzyskało już patent w Stanach Zjednoczonych.

Uniwersytet Jagielloński
Centrum Transferu Technologii CITTRU
www.sciencemarket.pl